光电解二氧化碳还原新突破：韩国科研团队开发连续流光电化学反应器

作者及发表信息
本研究由韩国科学技术院（KAIST）的Hee-Tae Jung教授团队联合美国劳伦斯伯克利国家实验室的Joel W. Ager教授等共同完成，成果发表于《Advanced Science》期刊（2024年12月）。研究团队来自KAIST化学与生物分子工程系、KAIST-UC Berkeley-越南国立大学气候变化联合研究中心及沙特阿美-KAIST二氧化碳管理中心。

学术背景

研究领域与动机
光电解（Photoelectrochemical, PEC）二氧化碳还原（CO₂RR）是一种结合电化学与光催化优势的技术，可利用太阳能驱动反应，降低过电位需求。然而，传统H型反应器中，CO₂需通过液相扩散至催化剂表面，导致传质受限，尤其在高压电流下效率显著降低。

关键问题
现有PEC系统存在两大瓶颈：
1. 传质限制：液态电解质中CO₂扩散速率低，高电流密度下反应速率受限；
2. 稳定性不足：催化剂易因产物积累或中毒失活。

研究目标
开发一种连续流PEC反应器，通过气体可渗透光电极（Gas-Permeable Photocathode）直接向催化剂表面输送气态CO₂，突破传质限制，提升反应速率与稳定性。

研究流程与方法

1. 反应器设计与光电极制备

核心创新：
- 反应器结构：采用聚醚醚酮（PEEK）材质，包含气体流道板、电解质流道板、石英窗口和Pt/Ag/AgCl电极（图1a）。
- 光电极：以疏水性碳纸为载体，通过喷涂法负载TiO₂/Ag催化剂（图1b），形成气-液-固三相界面。
- 光路优化：光透过石英窗口和电解质照射至光电极背面，避免碳纸不透明性对光吸收的干扰（图1c）。

关键参数控制：
- 气体压力（P）：1.1–1.4 bar；
- CO₂流速（Qr）：10 sccm；
- 电解质流速（Qe）：5 mL/min。

2. 反应条件优化实验

通过调控流速与压力，研究光电流密度（Photocurrent Density）的变化规律：
- 电解质流速实验：流速5 mL/min时，光电流密度达峰值（≈3 mA/cm²），过高流速导致电解质渗入气体层（图2b）；
- CO₂流速实验：10 sccm时反应效率最高，流速过高会缩短CO₂停留时间（图2c）；
- 气体压力实验：1.2 bar时三相界面最稳定，压力过高会破坏界面平衡（图2d）。

3. 性能对比与稳定性测试

• 与传统H型反应器对比：
  
  • 法拉第效率（FE）：CO产率提升10倍（57.25% vs. 5.7%）；
    
  • 反应速率：CO生成速率提高30倍（262.6 μmol/cm²·h vs. 7.39 μmol/cm²·h）；
    
  • 稳定性：连续运行16小时效率保持71%，而H型反应器1小时后效率下降90%（图5）。
    

主要结果与逻辑链条

1. 光电流密度优化：通过精确控制流场参数，最大光电流密度达3 mA/cm²（-0.4 V vs. RHE），证明气相传质效率显著提升。
   
2. 反应选择性提升：高碱性电解质（1M KOH）抑制析氢反应（HER），使CO成为主导产物。
   
3. 稳定性机制：连续流设计通过电解质循环清除催化剂表面副产物，避免中毒（图4）。
   

数据支持：
- EDS mapping证实疏水处理均匀（图S4）；
- 接触角测试显示电极疏水性维持至反应末期（图S6）。

结论与价值

科学价值：
1. 首次将气体扩散电极（GDE）概念引入PEC系统，实现气-液-固三相界面的高效构建；
2. 揭示了流速与压力对光电流密度的非线性影响规律，为反应器设计提供理论依据。

应用前景：
- 可扩展至其他光电解反应（如氮还原、水氧化）；
- 为太阳能燃料规模化生产提供新思路。

研究亮点

1. 创新反应器设计：结合GDE与PEC技术，解决传统系统的传质瓶颈；
   
2. 无需催化剂改性：仅通过优化流场参数即实现性能飞跃；
   
3. 高稳定性：连续运行16小时无显著衰减，远超同类研究。
   

其他发现：
- 暗反应条件下CO法拉第效率更高（图S6），但光辅助可提升总反应速率（图3d）；
- Tafel斜率分析表明光能降低反应活化能（图S9）。

本研究为光电解CO₂还原领域提供了革命性的反应器设计范式，其方法论可推广至其他气-液耦合的光电催化体系。